Способ получения свекловичного пектина

 

Использование: в химии и технологии высокомолекулярных соединений, в частности, при получении пектина из отходов свеклосахарного производства для нужд пищевой и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: получение свекловичного пектина с хорошей желирующей способностью, достаточно высоким выходом и низкой себестоимостью без использования экологически вредных, токсичных и пожаро-взрывоопасных реагентов. Для этого свекловичный жом подвергают подготовке, состоящей из сушки при 30-50^oC, измельчении до частиц 1-5 мм, набухания и отмывки от балластных веществ, с последующей экстракцией водой одно - или двухкратно в течении 1-2 ч при 85-95^oC и гидромодуле 1:( 20-40), фильтрацией, концентрированием пектинового экстракта и его сушкой при 30-70^o.1 табл.

Изобретение относится к химии и технологии высокомолекулярных соединений и может быть использовано для промышленного получения пектина из отходов свеклосахарного производства для нужд пищевой и фармацевтической промышленности.

Традиционные способы получения пектина, в т. ч. свекловичного, основанные на кислотном гидролизе растительного сырья с последующим осаждением пектина различными методами, обладают рядом существенных недостатков: применение в больших объемах кислот и щелочей, требующее их безусловную экологическую регенерацию; необходимость использования токсичных, взврывоопасных и легковоспламеняющихся реагентов (хлористый алюминий, этанол); длительность, многостадийность и трудоемкость технологического процесса, в котором задействуется большое количество единиц оборудования и высокая себестоимость целевого продукта.

Известно несколько прогрессивных технологий получения пектина, исключающих недостатки традиционных методов. Способ, включающий замораживание-дефростацию свекловичного жома в кислой среде и осаждение пектина этанолом позволяет получить высокожелирующий продукт с общим выходом целевого продукта около 30% Способу присущи следующие недостатки: трудности освоения способа ввиду отсутствия специального технологического оборудования (промышленные низкотемпературные холодильники, совмещенные с термостатируемыми камерами); энергоемкость технологического процесса, обуславливающая его высокую себестоимость; необходимость использования кислоты и этанола.

Кроме того, известен способ получения пектина, включающий обработку растительного сырья дистиллированной водой в кавитационном режиме, механическую фильтрацию и концентрирование экстракта на ультрафильтре, позволяет получить высокомолекулярный свекловичный пектин с хорошей желирующей способностью и выходом около 90% от теоретического [5] Основные недостатки способа: трудности создания и поддержания стандартного кавитационного режима;
отсутствие серийных промышленных экстракторов кавитационного типа.

Способы, включающие гидролиз протопектина и экстрагирование пектина водой в электрическом поле с плотностью тока 0,01-0,02 А/см² последующим выделением целевого продукта, позволяют получить свекловичный пектин с наиболее высокой желирующей способностью и общим выходом около 17% Основные недостатки:
высокая энергоемкость технологического процесса и особые требования по технике безопасности;
малая стабильность pH электроактивированной воды;
необходимость и трудность в изготовлении специального технологического оборудования (электродиализаторы, электролизеры экстракторы).

Наиболее близкий к заявляемому способ, предложенный для получения пектина из фруктовых выжимок [8] включает в себя измельчение сырья до размера частиц 1 мм, их экстракцию водой при гидромодуле 1 (10-20) сначала 18 часов при комнатной температуре, затем 30-45 мин при 70-80^oC, фильтрацию и вакуумное упаривание экстракта, осаждение пектина этанолом с последующим отделением и сушкой. Данный способ также имеет ряд недостатков:
наличие энергоемкой стадии упаривания;
осаждение пектина этанолом;
длительная экстракция сырья при комнатной температуре.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения свекловичного пектина с хорошей желирующей способностью, достаточно высоким выходом и низкой себестоимостью без использования экологически вредных, токсичных или пожаро-взрывоопасных реагентов при одновременном упрощении технологического процесса.

Поставленная задача решается тем, что свекловичный жом высушивают при температуре 30-50^oC, измельчают до размера частиц 1-5 мм, замачивают водой при гидромодуле 1:(3-5) на 05-2 часа и отмывают водой при t=45-55^oC с общим гидромодулем 1:( 20-40) методом противотока на батарее из 3-5 экстракторов в течение 1-2 часов. Подготовленный жом подвергают 1-2 кратной экстракции водой в течение 1-2 часов при гидромодуле 1: (20-40) и t=85-95^oC. Пектиновый экстракт подвергают механической фильтрации, концентрированию (и одновременно дополнительной очистке) ультрафильтрацией через половолоконный мембранный фильтр и сушке в токе теплого воздуха при t=30-70^oC.

Пектиновые вещества являются лабильными высокомолекулярными соединениями, для получения которых в состоянии, близком к нативному, и максимального сохранения их макромолекулярной структуры требуются специфические и как можно более мягкие условия экстракции-гидролиза пектинсодержащего сырья. С учетом того, что заявляемый способ базируется на исключении из технологии экологически вредных, токсичных и пожаро-взврывоопасных реагентов и основывается на использовании в качества зкстрагента (гидролизующего агента) воды, такие специфические условия создаются специальной подготовкой свекловичного жома к экстракции-гидролизу пектиновых веществ.

Сушка жома при t=30-50^oC предотвращает гидролиз цепи поли-D-галактуроновой кислоты, в построении которой участвуют L-арабиноза, D-галактоза, L-рамноза. В свекловичном жоме также может иметь место присутствие споровых микроорганизмов, которые во время сушки сырья в мягких условиях способны продуцировать целлюлолитические ферменты, вызывающие отщепление протопектина от клеточной стенки.

Достаточно высокая степень измельчения высушенного жома (1-5 мм) необходима для создания высокой разности концентраций, служащей основной движущей силой процесса диффузии при экстракции пектиновых веществ.

При набухании сырья в воде с гидромодулем 1:(3-5) в течение 0,5-2 ч происходит переход водорастворимых пектиновых веществ свекловичного жома, содержащихся в свежих корнеплодах в клеточном соке, в растворимое состояние.

В процессе отмывки набухшего жома водой с общим гидромодулем 1:(20-40) при 40-55^oC в течение 1-2 ч методом противотока на батарее из 3-5 экстракторов происходит вымывание балластных веществ, в основном низкомолекулярных сахаров, оставшихся в сырье после получения диффузионного сахарного сока.

Кроме того, извлекаются и водорастворимые пектиновые вещества, выход которых составляет 2-3% в пересчете на сухой жом. Было установлено, что эти вещества не обладают желирующей способностью, в связи с чем полученный на данной стадии пектинсодержащий экстракт дальнейшему использованию по заявляемому способу не подлежит.

Экстракция подготовленного жома водой при t=85-95^oC и гидромодуле 1: (2O-40) в течение 1-2 ч обеспечивает переход в растворимое состояние значительного количества пектиновых веществ, обладающих высокой желирующей способностью. При использовании гидромодуля 1:20 концентрация их в пектиновом экстракте составляет 0,8-1% и наблюдается самопроизвольное желирование раствора по мере остывания его до комнатной температуры. Выход пектина составляет 23-25% в пересчете на сухой жом. С учетом сложностей, которые возникнут при работе в промышленных условиях с растворами, склонными к самопроизвольному желированию, оптимальным принят гидромодуль, равный 1:40.

Концентрирование пектинового экстракта на половолоконном мембранном фильтре с диаметром пор 50 КДа устраняет нежелательное длительное воздействие повышенной температуры на пектиновые вещества, что наблюдается при упаривании пектиновых экстрактов, и одновременно позволяет значительно снизить энергозатраты. Кроме того, возможная степень концентрирования экстракта при ультрафильтрации (до 1: 20) значительно выше, чем при упаривании (до 1:5), что допускает прямую сушку концентрата в мягких условиях при 30-70^oC, без предварительного осаждения пектина спиртом, ацетоном или хлористым алюминием. При ультрафильтрации в концентрате остается только высокомолекулярный пектин с мол. м. не менее 45000, освобожденный от низкомолекулярных примесей, что обуславливает высокую степень чистоты целевого продукта.

В результате исследований подобраны оптимальные условия получения свекловичного пектина.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. 36 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t=50^oC, измельчают до размера частиц 1-3 мм и загружают порциями по 12 г в 3 экстрактора-диффузора для отмывки жома, представляющих собой делительные воронки вместимостью 1000 см³ с ложным дном, на дно которого укладывают ватно-марлевый тампон, нижним краном для слива и водяной рубашкой для термостатирования при необходимой температуре. В каждый экстрактор заливают 60 мл дистиллированной воды и оставляют для набухания при комнатной температуре на 1 ч. Через 1 ч проводят отмывку набухшего жома водой при t=50^oC методом противотока в батарее из 3-х экстракторов, заливают по 480 мл дистиллированной воды в 1-й экстрактор (3 раза). С интервалом 1 ч осуществляют последовательные передвижки извлечений от 1-го экстрактора к 3-му через 2-й и полностью сливают по окончании работы батареи вытяжки из всех трех экстракторов. Объединенную вытяжку в дальнейшем не используют и направляют в слив. Отмытый жом из трех экстракторов выгружают, объединяют и помещают в экстрактор, представляющий собой круглодонную лабораторную колбу вместимостью 3000 см³ с пропеллерной мешалкой (число оборотов 200 в мин), установленную на кипящей водяной бане. В экстрактор заливают 1440 мл дистиллированной воды, доводят температуру до 90^oC, включают мешалку и проводят экстракцию сырья в течение 1 ч. Фильтруют полученный пектиновый экстракт через бумажный фильтр под вакуумом. Фильтрат подвергают ультрафильтрации через половолоконную полиацетатную мембрану с диаметром пор 50 КДа и общей площадью фильтрации 0,2 м² при давлении 0,8-0,9 кгс/см² до получения концентрата в объеме, равном 1:10 1:20 от первоначального. Концентрат разливают слоем не более 1 см в стеклянные кюветы, сушат в токе теплого воздуха при t=+50^oC и получают готовый продукт.

Пример 2. 36 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t= 50^oC, измельчают до размера частиц 3-5 мм и загружают порциями по 7,2 г в 5 экстракторов-диффузоров для отмывки жома. В каждый экстрактор заливают 36 мл дистиллированной воды и оставляют для набухания при комнатной температуре на 2 ч. Через 2 ч проводят отмывку набухшего жома водой при t=55^oC методом противотока в батарее из 5-ти экстракторов, заливают по 288 мл дистиллированной воды в 1-й экстрактор ( 5 раз ). С интервалом 2 ч осуществляют последовательные передвижки извлечений от 1-го экстрактора к 5-му через 2-й, 3-й и 4-й, полностью сливают по окончании работы батареи вытяжки из всех пяти экстракторов. Объединенную вытяжку в дальнейшем не используют и направляют в слив. Отмытый жом из пяти экстракторов выгружают, объединяют и помещают в экстрактор, заливают 1440 мл дистиллированной воды, доводят температуру до 95^oC, включают мешалку и проводят экстракцию сырья в течение 2 часов. Дальнейшие операции аналогичны описанным в примере 1, температура сушки концентрата 70^oC.

Пример З. 36 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t= 50^oC, измельчают до размера частиц не более 1 мм, загружают в экстрактор, заливают 108 мл дистиллированной воды и оставляют для набухания при комнатной температуре в течение 30 мин. Через 30 мин заливают 720 мл дистиллированной воды, доводят температуру до 45^oC, включают мешалку и проводят отмывку жома в течение 1 ч методом динамической мацерации. Операцию повторяют 3 раза. Полученные извлечения объединяют и отбрасывают. В пятый раз заливают 720 мл дистиллированной воды, доводят температуру до +85^oC и при работающей мешалке осуществляют экстракцию сырья в течение 1 часа. Операцию повторяют и объединяют пектиновые экстракты. Дальнейшие операции аналогичны описанным в примере 1, температура сушки концентрата +30^oC.

Пример 4. З6 г неизмельченного свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t=+50^oC, загружают в экстрактор, заливают 130 мл дистиллированной воды и оставляют для набухания при комнатной температуре в течение 1 часа. Через 1 час заливают 1440 мл дистиллированной воды, доводят температуру до +50^oC, включают мешалку и проводят отмывку жома в течение 1 часа методом динамической мацерации. Операцию повторяют 3 раза. Полученные извлечения объединяют и отбрасывают. В пятый раз заливают 1440 мл дистиллированной воды, доводят температуру до 95^oC и при работающей мешалке осуществляют экстракцию сырья в течение 1 ч. Дальнейшие операции аналогичны описанным в примере 1.

Пример 5. З6 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t= 50^oC, измельчают до размера частиц 1-3 мм, загружают в экстрактор-гидролизер, заливают 1440 мл 2,5% раствора соляной кислоты (pH 0,8), доводят температуру до 90^oC, включают мешалку и проводят экстракцию-гидролиз сырья в течении 1 ч. Пектиновый экстракт нейтрализуют 1 н. раствором едкого натрия до pH 6,5. Дальнейшие операции аналогичны описанным в примере 1.

Пример 6. 36 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t=50^oC, измельчают до размера частиц 1-3 мм, загружают в смеситель, заливают 720 мл воды комнатной температуры и перемешивают при частоте рабочего вала смесителя 5000 об/мин в течение 10 мин. Содержимое смесителя переносят количественно в экстрактор и проводят экстракцию методом мацерации в течение 18 ч. Затем смесь нагревают до t=70^oC на водяной бане в течение 30 мин, отделяют экстракт от шрота фильтрованием через марлю и фильтровальную бумагу. Пектиновый экстракт концентрируют под вакуумом до объема примерно 50 мл и добавляют трехкратный объем (150 мл) 96%-го этанола, выдерживают на холоде 15 мин, отделяют от маточника фильтрованием через бумажный фильтр. Пектин переносят в стеклянный бюкс и сушат при t=40^oC.

Пример 7. 36 г свекловичного жома высушивают в токе теплого воздуха при t= 50^oC, измельчают до размера частиц 1-3 мм, загружают в экстрактор-гидролизер, заливают 1440 мл электроактивированной воды (pH О,8), доводят температуру до 90^oC, включают мешалку и проводят экстракцию-гидролиз сырья в течение 1 часа. Дальнейшие операции аналогичны описанным в примере 1. Данные, характеризующие примеры реализации заявляемого способа, его аналогов и прототипа приведены в таблице. Анализ данных таблицы показывает, что пример 1 является самым оптимальным при реализации заявляемого способа, т. к. он более прост в исполнении по сравнению с примером 2, обеспечивает достаточно высокий выход целевого продукта в сравнении с примерами N 3 и 4, а также хорошую желирующую способность в отличие от известных способов (примеры 5-7).

Использование предлагаемого способа получения свекловичного пектина обеспечивает следующие преимущества перед аналогами и прототипом
1. Исключение из технологического процесса кислот, щелочей, токсичных и пожаро-взрывоопасных реагентов.

2. Отсутствие в необходимости использования сложного специального технологического оборудования при промышленной реализации способа.

3. Устранение нежелательного воздействия повышенной температуры за счет исключения процесса упаривания на стадии концентрирования пектинового экстракта с одновременным снижением энергозатрат, а также дополнительная его очистка от низкомолекулярных примесей путем ультрафильтрации.

4. Сокращение продолжительности способа получения целевого продукта до 12-18 ч.

5. Возможность получения свекловичного пектина с хорошей желирующей способностью, достаточно высоким выходом и низкой себестоимостью.

Формула изобретения

Способ получения свекловичного пектина, предусматривающий измельчение сырья, его экстракцию водой, фильтрацию, концентрирование пектинового экстракта и сушку, отличающийся тем, что перед измельчением сырье сушат в токе воздуха при 30-50^oС, измельчение ведут до размера частиц 1-5 мм, после измельчения проводят набухание сырья в воде при комнатной температуре и гидромодуле (1: 3-5) в течение 1-2 ч, отмывку от балластных веществ осуществляют водой методом противотока на батарее из трех экстракторов при 45-55^oС в течение 1-2 ч при гидромодуле (1:20-40), экстракцию ведут одно- или двухкратно в течение 1-2 ч при 85-95^oС и гидромодуле (1:20-40), одновременно с концентрированием проводят дополнительную очистку пектинового экстракта, причем концентрирование и очистку ведут ультрафильтрацией через половолоконный мембранный фильтр, а сушку концентрата проводят при 30-70^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1